CN117032303B - 一种基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法，属于仿生扑翼飞行机器人应用技术领域。所述方法包括：步骤1，将ArUcoMarker嵌套组合的降落标志固定在降落平台上；步骤2，引导扑翼飞行机器人在降落平台上空盘旋绕圆飞行；步骤3，拍摄降落标志，解算出扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿；步骤4，生成低于当前飞行高度的飞行航点坐标引导扑翼飞行机器人围绕降落标志绕圆飞行下降高度；步骤5，判断扑翼飞行机器人是否下降至一定的高度，若否，则重复执行步骤3和步骤4的操作；步骤6，若是，则生成降落标志的飞行航点坐标引导扑翼飞行机器人朝降落平台直线飞行，直至降落在降落平台上。采用本发明，能够提高扑翼飞行机器人自主降落的精度。

Description

一种基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法

技术领域

本发明涉及仿生扑翼飞行机器人应用技术领域，特别是指一种基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法。

背景技术

扑翼飞行机器人是一种新型的仿生无人飞行器，与传统的旋翼和固定翼无人飞行器相比，其最大的特点为通过模拟鸟类、昆虫等扑动翅膀的飞行方式，使用机械结构驱动翅膀按照一定频率扑动来为其飞行提供升力和推力。扑翼飞行机器人的姿态调节方式也和鸟类相似，一般通过调节尾翼的姿态来控制扑翼飞行机器人的俯仰、滚转和航向等。扑翼飞行机器人具有飞行效率高、机动灵活性好、仿生隐蔽性强等特点，在民用与军用等领域具有广阔的应用前景。

无人飞行器的自主降落作为无人飞行器自主化、智能化应用的重要部分，对无人飞行器的回收利用、推广应用具有举足轻重的影响。由于机翼结构的差别，不同类型无人飞行器的降落方式各不相同。旋翼无人飞行器可在空中悬停，实现垂直降落。而固定翼无人飞行器和扑翼飞行机器人，一般无法执行悬停等飞行动作，通常需要通过给无人飞行器机体加装额外的降落装置来辅助无人飞行器以滑跑等方式进行降落。但这种方式对于负载能力有限的无人飞行器而言，势必会大大减少飞行器的有效载荷、增加飞行器的功耗且需要面积较大的降落场地，十分影响飞行器可执行任务的需求。

相比之下，在面积较小的降落场地进行降落时，由于扑翼飞行机器人保持稳定飞行的平飞速度比同样翼展的固定翼无人飞行器小很多，能够以较小的转弯半径进行绕圆飞行下降高度而不会失速坠毁。且扑翼飞行机器人的机动性较强，能在短距离内直线降落，避免因着陆距离过长容易受风力等因素干扰，造成飞行器偏离降落区域无法及时调整而难以保证自主降落的精度。

扑翼飞行机器人的负载能力较小，高精度的GPS系统重量大、成本高不适合装配在扑翼飞行机器人上；而低精度的GPS系统又无法满足扑翼飞行机器人降落精度的要求。而机载视觉模块(例如，机载摄像头)具有重量轻，感知能力强等特点，适合于扑翼飞行机器人。视觉导航技术通过机载摄像头拍摄周围环境和降落标志，分析处理图像来获取降落标志的信息并引导扑翼飞行机器人实现高精度的降落。但随着扑翼飞行机器人飞行高度的下降，对于常见的降落标志，机载摄像头由于拍摄角度等问题无法拍摄到完整的降落标志，通常会对扑翼飞行机器人的降落精度造成较大影响。

目前尚无成熟的基于视觉引导的扑翼飞行机器人的自主降落方法，因此，结合扑翼飞行机器人能够以较低平飞速度保持稳定飞行以及机动性较强的运动特点、负载特点，设计一种基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法是十分有意义的。

发明内容

本发明实施例提供了基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法，能够提高扑翼飞行机器人的自主化程度以及提高扑翼飞行机器人自主降落的精度。

本发明实施例提供的基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法，包括：

步骤1，将由多种大小不同的ArUcoMarker嵌套组合的降落标志固定在降落平台上；

步骤2，通过GPS导航引导扑翼飞行机器人在降落平台上空一定高度进行盘旋绕圆飞行；

步骤3，通过机载视觉模块实时拍摄降落平台上的降落标志，并根据拍摄到的降落标志解算出扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿；

步骤4，利用扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，生成低于当前飞行高度的飞行航点坐标引导扑翼飞行机器人围绕降落标志绕圆飞行下降高度；

步骤5，判断扑翼飞行机器人是否下降至一定的高度，若否，则重复执行步骤3和步骤4的操作；

步骤6，若是，则拍摄降落平台上的降落标志，确定扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，生成降落标志的飞行航点坐标引导扑翼飞行机器人朝降落平台直线飞行，直至降落在降落平台上。

进一步地，所述降落标志包括：6个ArUcoMarker；

所述降落标志由3种大小比例为20:5:2的ArUcoMarker组成，其中1个比例为2的ArUcoMarker位于1个比例为20的ArUcoMarker中间，4个比例为5的ArUcoMarker位于比例为20的ArUcoMarker的四个角落，且6个ArUcoMarker的编码位均为4×4。

进一步地，所述通过GPS导航引导扑翼飞行机器人在降落平台上空一定高度进行盘旋绕圆飞行包括：

通过GPS导航引导扑翼飞行机器人进入降落平台上空，并在降落平台上空25～30m的高度进行盘旋绕圆飞行。

进一步地，所述通过机载视觉模块实时拍摄降落平台上的降落标志，并根据拍摄到的降落标志解算出扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿包括：

A1，扑翼飞行机器人的机载视觉模块实时拍摄降落平台上的降落标志，将拍摄到的视频图像信息发送至地面信息处理模块；

A2，地面信息处理模块根据降落标志的组成信息调用ArUco库中的检测函数，检测出现在视频图像信息中的各个ArUcoMarker的Marker ID是否都为组成降落标志的ArUcoMarker的Marker ID；其中，所述降落标志的组成信息为组成降落标志的ArUcoMarker的大小比例、位置、编码位和Marker ID；

A3，若是，则调用ArUco库中的位姿估算函数分别对所检测到的各个ArUcoMarker进行位姿估算，得到所检测到的各个ArUcoMarker相对于扑翼飞行机器人的相对位姿，将得到的各个ArUcoMarker相对于扑翼飞行机器人的相对位姿经过坐标转换和取均值处理得到扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿；

A4，若否，则返回继续执行步骤A1的操作。

进一步地，坐标转换的公式为：

其中，R为所检测到单个ArUcoMarker与扑翼飞行机器人的旋转矩阵，R′为所检测到的单个ArUcoMarker与降落标志中心点坐标系的旋转矩阵，R″为扑翼飞行机器人与降落标志中心点坐标系的旋转矩阵，T为所检测到单个ArUcoMarker与扑翼飞行机器人的平移向量，T′为所检测到的单个ArUcoMarker与降落标志中心点的平移向量，T″为扑翼飞行机器人与降落标志中心点的平移向量。

进一步地，取均值处理的公式为：

其中，R_r为所检测到的所有ArUcoMarker经过坐标转换，取均值求得的扑翼飞行机器人与降落标志中心点坐标系的旋转矩阵；T_r为所检测到的所有ArUcoMarker经过坐标转换，取均值求得的扑翼飞行机器人与降落标志中心点的平移向量；n为所检测到的所有ArUcoMarker的个数。

进一步地，所述利用扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，生成低于当前飞行高度的飞行航点坐标引导扑翼飞行机器人围绕降落标志绕圆飞行下降高度包括：

地面信息处理模块根据扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿和扑翼飞行机器人的GPS信息，生成一个位于降落标志上空的低于当前高度的飞行航点坐标并发送给机载飞控板；

机载飞控板根据地面信息处理模块发送来的飞行航点坐标控制扑翼飞行机器人围绕降落标志绕圆飞行实现高度下降。

进一步地，所述判断扑翼飞行机器人是否下降至一定的高度，若否，则重复执行步骤3和步骤4的操作包括：

判断扑翼飞行机器人是否下降至距离降落平台上空约8～10m的高度，若否，则在绕圆飞行过程重复执行步骤3和步骤4的操作，直到扑翼飞行机器人下降至距离降落平台上空约8～10m的高度。

进一步地，所述利用步骤3解算得到的扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，生成降落标志的飞行航点坐标引导扑翼飞行机器人朝降落平台直线飞行，直至降落在降落平台上包括：

地面信息处理模块根据扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿和扑翼飞行机器人的GPS信息，生成降落标识的飞行航点坐标并发送给机载飞控板；

机载飞控板控制扑翼飞行机器人以合适的下降率朝着降落标识的飞行航点坐标直线飞行不断下降高度直到降落到降落平台上，完成全部降落过程。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

1)通过扑翼飞行机器人的机载视觉模块实时拍摄降落平台上的由大小不同的ArUcoMarker嵌套组合而成的降落标志，使扑翼飞行机器人在不同降落高度都能对降落标志进行估计，得到扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，引导扑翼飞行机器人螺旋下降高度并最终抵达着陆点，避免因扑翼飞行机器人飞行高度的变化对单一降落标志拍摄不清晰，不完整导致得到的扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿精度低的问题，从而提高扑翼飞行机器人自主降落的精度。

2)在只装载机载视觉模块的情况下，通过绕圆飞行的方式螺旋下降高度最终实现降落，减少携带其他高精度定位设备和降落辅助设备所带来的载荷，在满足扑翼飞行机器人的低负载工况的同时，还使得扑翼飞行机器人在整个降落过程中都在降落平台上空某一高度一定范围内，使扑翼飞行机器人在较低高度时能再次获取地面降落标志的图像信息，从而及时控制扑翼飞行机器人进行高度下降和完成降落，极大提高了扑翼飞行机器人自主降落的精度，从而解决了实际应用中仅依靠GPS引导扑翼飞行机器人自主降落精度低的问题。

3)通过绕圆飞行螺旋下降高度再朝降落平台直线飞行直到完成降落的方式，充分利用了扑翼飞行机器人机动性较强、可以以较低平飞速度保持飞行稳定性等运动特点，使扑翼飞行机器人在保持低速飞行的同时逐渐降低高度，接近降落平台并以较低的下降速度实现平稳的着陆，避免扑翼飞行机器人从高空以较远距离直接朝降落平台降落时，可能因受风力等因素的影响，导致扑翼飞行机器人偏离预定降落区域或者下降速度过大，无法及时调整飞行姿态或速度，而带来扑翼飞行机器人偏离降落区域或失速坠毁的风险，从而解决了实际应用中扑翼飞行机器人从高空以较远距离直接朝降落平台降落时对降落场地面积要求较大的问题，还保证了扑翼飞行机器人自主降落的可控性和安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法的流程示意图；

图2为本发明实施例提供的3种大小不同的ArUcoMarker嵌套组合而成的降落标志示意图；

图3为本发明实施例提供的计算扑翼飞行机器人与降落标志相对位姿并引导扑翼飞行机器人降落的流程示意图；

图4为本发明实施例提供的基于视觉引导的扑翼飞行机器人的自主降落过程示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为了在降落场地面积受限的情况下实现扑翼飞行机器人的自主降落，且保证扑翼飞行机器人自主降落的精度，本发明实施例提供了一种基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法。

如图1所示，本发明实施例提供了一种基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法，包括：

步骤1，将由多种大小不同的ArUcoMarker嵌套组合的降落标志固定在降落平台上；

本实施例中，如图2所示，所述降落标志包括：6个ArUcoMarker；所述降落标志由3种大小比例为20:5:2的ArUcoMarker组成，其中1个比例为2的ArUcoMarker位于1个比例为20的ArUcoMarker中间，4个比例为5的ArUcoMarker位于比例为20的ArUcoMarker的四个角落，且6个ArUcoMarker的编码位均为4×4。

本实施例中，选取一块开阔平整且大于降落标志尺寸的地面作为降落平台，并将降落标志固定在降落平台上。

本实施例中，使用多种大小不同ArUcoMarker嵌套组合的降落标志是为了确保扑翼飞行机器人在降落过程的不同高度都能拍摄到降落标志上的部分ArUcoMarker，从而实现姿态估计。

步骤2，通过GPS导航引导扑翼飞行机器人在降落平台上空一定高度进行盘旋绕圆飞行；

本实施例中，当扑翼飞行机器人有降落需求时，通过GPS导航引导扑翼飞行机器人飞行到降落平台上空25～30m的高度，且根据扑翼飞行机器人能够以较低平飞速度保持稳定飞行以及机动性较强的运动特点，在降落平台上空进行盘旋绕圆飞行，等待机载视觉模块对降落平台上的降落标志进行检测。

本实施例中，GPS导航引导扑翼飞行机器人飞行到降落平台上空的过程，是由操作人员在地面信息处理模块上根据扑翼飞行机器人的GPS信号给定一个位于降落平台上空一定高度(本实施例指：25～30m)的飞行航点坐标，等待操作人员在遥控器上切换扑翼飞行机器人的飞行模式进入绕圆模式，以此完成完整的扑翼飞行机器人进入降落平台上空并在降落平台上空一定高度进行盘旋绕圆飞行的过程。

本实施例中，所述地面信息处理模块为便携式设备，该设备装有Windows系统，能够实时接收和显示机载飞控板测量到的扑翼飞行机器人飞行过程中的GPS信息等飞行状态信息，并能发送飞行航点坐标等具体操作指令给机载飞控板，随后由机载飞控板控制扑翼飞行机器人进行飞行。

步骤3，通过机载视觉模块实时拍摄降落平台上的降落标志，并根据拍摄到的降落标志解算出扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，如图3所示，具体可以包括以下步骤：

A1，扑翼飞行机器人的机载视觉模块(例如，机载摄像头)实时拍摄降落平台上的降落标志，通过与机载视觉模块连接的图传设备将拍摄到的视频图像信息发送至地面信息处理模块；

本实施例中，机载视觉模块固定在扑翼飞行机器人头部，通过机载视觉模块的相机坐标系和扑翼飞行机器人的机体坐标系的转换，可以得到所检测到的各个ArUcoMarker相对于扑翼飞行机器人的相对位姿。

A2，机载视觉模块在较高高度时只能拍摄到比例为20的ArUcoMarker以及部分比例为5的ArUcoMarker；此时地面信息处理模块根据降落标志的组成信息调用ArUco库中的检测函数，检测出现在视频图像信息中的各个ArUcoMarker的Marker ID是否都为组成降落标志的ArUcoMarker的Marker ID；其中，所述降落标志的组成信息为组成降落标志的ArUcoMarker的大小比例、位置、编码位和Marker ID；

本实施例中，调用ArUco库中的检测函数的具体过程为：先通过灰度化将视频图像信息从BGR通道转换为Gray通道，然后结合预定义的4×4编码位的字典和默认值的初始化检测器参数，求得所检测到的各个ArUcoMarker的Marker ID和各自对应的角点坐标。

A3，若是，则说明出现在视频图像信息中的ArUcoMarker为组成降落标志的ArUcoMarker，调用ArUco库中的位姿估算函数分别对所检测到的各个ArUcoMarker进行位姿估算，得到所检测到的各个ArUcoMarker相对于扑翼飞行机器人的相对位姿；将得到的各个ArUcoMarker相对于扑翼飞行机器人的相对位姿经过坐标转换和取均值处理得到扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿；

本实施例中，调用ArUco库中的位姿估算函数的具体过程为：根据已标定好的机载视觉模块的相机参数，所检测到的各个ArUcoMarker的角点坐标以及对应的ArUcoMarker的大小比例，即根据机载视觉模块的相机坐标系和降落标志坐标系的对应关系，使用PnP算法求解两者之间的旋转向量r和平移向量T；再利用Rodrigues公式将旋转向量r转换为旋转矩阵R；假设旋转向量r为单位旋转向量r＝[r_x,r_y,r_z]^T，旋转角度为θ，则Rodrigues公式为：

其中，R为所检测到单个ArUcoMarker与扑翼飞行机器人的旋转矩阵，I为三阶单位矩阵，上标T表示矩阵转置。

接着，将得到的各个所检测到的ArUcoMarker与扑翼飞行机器人的旋转矩阵和平移向量经过一系列坐标转换后取均值处理，得到扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿；其中，

坐标转换的公式为：

其中，R为所检测到单个ArUcoMarker与扑翼飞行机器人的旋转矩阵，R′为所检测到的单个ArUcoMarker与降落标志中心点坐标系的旋转矩阵，R″为扑翼飞行机器人与降落标志中心点坐标系的旋转矩阵，T为所检测到单个ArUcoMarker与扑翼飞行机器人的平移向量，T′为所检测到的单个ArUcoMarker与降落标志中心点的平移向量，T″为扑翼飞行机器人与降落标志中心点的平移向量；

取均值处理的公式为：

其中，R_r为所检测到的所有ArUcoMarker经过坐标转换，取均值求得的扑翼飞行机器人与降落标志中心点坐标系的旋转矩阵；T_r为所检测到的所有ArUcoMarker经过坐标转换，取均值求得的扑翼飞行机器人与降落标志中心点的平移向量；n为所检测到的所有ArUcoMarker的个数。

A4，若否，则返回继续执行步骤A1的操作。

步骤4，利用扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，生成低于当前飞行高度的飞行航点坐标引导扑翼飞行机器人围绕降落标志绕圆飞行下降高度，如图4所示，具体可以包括以下步骤：

B1，地面信息处理模块根据扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿和扑翼飞行机器人的GPS信息，生成一个位于降落标志上空的低于当前高度的飞行航点坐标并发送给机载飞控板；

本实施例中，地面信息处理模块根据扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿和扑翼飞行机器人回传到地面信息处理模块的GPS信息，通过扑翼飞行机器人机体坐标系与GPS坐标系的对应关系，得到降落标志相对于扑翼飞行机器人在维度上的相差e_m距离，在经度上相差n_m距离；假设扑翼飞行机器人飞行的附近区域内单位经纬度所代表的距离为(D_X,D_Y)，扑翼飞行机器人回传到地面信息处理模块的当前GPS的坐标为(lat_f,lon_f)，则降落标志的GPS坐标(lat_t,lon_t)为：

根据降落标志的GPS坐标(lat_t,lon_t)以及扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿中扑翼飞行机器人当前的飞行高度H，再由地面信息处理模块生成一个低于当前一定高度h的飞行航点坐标(lat_t,lon_t,H-h)并发送给机载飞控板，其中h的取值由具体型号的扑翼飞行机器人的动力系统性能、载荷重量等情况而定。在本实施例中，该扑翼飞行机器人下降高度时h的取值范围为5～8m。

B2，机载飞控板根据地面信息处理模块发送来的飞行航点坐标控制扑翼飞行机器人围绕降落标志绕圆飞行实现高度下降，

本实施例中，由机载飞控板控制扑翼飞行机器人朝新的飞行航点坐标飞行下降高度并重新进入绕圆飞行的状态。

步骤5，判断扑翼飞行机器人是否下降至一定的高度，若否，则重复执行步骤3和步骤4的操作；

本实施例中，当扑翼飞行机器人朝着新的飞行航点坐标飞行下降高度并在所在高度进行绕圆飞行时，扑翼飞行机器人将重复执行步骤S3-S4的过程，即扑翼飞行机器人在当前高度重新拍摄降落标志回传到地面信息处理模块，解算出扑翼飞行机器人与降落标志当前的相对位姿，然后根据当前扑翼飞行机器人的GPS信息生成一个高度更低飞行航点坐标(lat_t,lon_t,H-h)发送给机载飞控板，由机载飞控板控制扑翼飞行机器人朝新的飞行航点坐标飞行下降高度并重新进入绕圆飞行的状态；扑翼飞行机器人重复执行以上步骤，根据一系列新生成的飞行航点坐标由机载飞控板控制以绕圆飞行的方式螺旋下降高度，直到距离降落平台上空约8～10m的高度。

步骤6，若是，则拍摄降落平台上的降落标志，确定扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，生成降落标志的飞行航点坐标引导扑翼飞行机器人朝降落平台直线飞行，直至降落在降落平台上，具体可以包括以下步骤：

C1，机载视觉模块在较低高度对降落平台上的降落标志进行拍摄时，由于机载视觉模块的焦距和拍摄角度等问题，机载视觉模块在较低高度时只能拍摄到部分比例为5的ArUcoMarker以及比例为2的ArUcoMarker；此时地面信息处理模块调用ArUco库中的检测函数，当所检测到的Marker ID和组成降落标志的ArUcoMarker的Marker ID一致时，调用ArUco库中的位姿估算函数分别对所检测到的ArUcoMarker进行位姿估算，得到所检测到各个的ArUcoMarker相对于扑翼飞行机器人的相对位姿；再把到所检测到的各个ArUcoMarker相对于扑翼飞行机器人的相对位姿经过坐标转换和取均值处理得到扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿；

C2，地面信息处理模块根据扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿和扑翼飞行机器人的GPS信息，生成降落标识的飞行航点坐标并发送给机载飞控板；机载飞控板控制扑翼飞行机器人以合适的下降率V_s朝着降落标识的飞行航点坐标直线飞行不断下降高度直到降落到降落平台上，完成全部降落过程，如图4所示。

在本实施例中，扑翼飞行机器人的下降率V_s计算公式为：

其中，H_t为扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿中扑翼飞行机器人当前的飞行高度；V_x为扑翼飞行机器人当前飞行的水平速度；L_x为扑翼飞行机器人与降落标志的水平距离；其中，V_s的取值由具体型号的扑翼飞行机器人的动力系统性能、载荷重量等情况而定。本实施例中,扑翼飞行机器人的下降率V_s的取值范围为0m/s～2.5m/s。

本实施例中，当扑翼飞行机器人下降高度到距离降落平台上空某一预先设定的高度(例如，约8～10m)时，将执行步骤3的操作，解算出扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，并结合当前扑翼飞行机器人的GPS信息，根据步骤S4所述生成降落标志GPS坐标的方式，生成降落标志所在坐标的飞行航点坐标(lat_t,lon_t,0)发送给机载飞控板，由机载飞控板控制扑翼飞行机器人以合适的下降率、飞行速度等朝降落标志飞去，直到最终降落在降落标志所在降落平台上，完成全部的基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落的过程。

综上，本发明实施例所述的基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法，至少具有以下有益效果：

1)通过扑翼飞行机器人的机载视觉模块实时拍摄降落平台上的由大小不同的ArUcoMarker嵌套组合而成的降落标志，使扑翼飞行机器人在不同降落高度都能对降落标志进行估计，得到扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，引导扑翼飞行机器人螺旋下降高度并最终抵达着陆点，避免因扑翼飞行机器人飞行高度的变化对单一降落标志拍摄不清晰，不完整导致得到的扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿精度低的问题，从而提高扑翼飞行机器人自主降落的精度。

2)在只装载机载视觉模块的情况下，通过绕圆飞行的方式螺旋下降高度最终实现降落，减少携带其他高精度定位设备和降落辅助设备所带来的载荷，在满足扑翼飞行机器人的低负载工况的同时，还使得扑翼飞行机器人在整个降落过程中都在降落平台上空某一高度一定范围内，使扑翼飞行机器人在较低高度时能再次获取地面降落标志的图像信息，从而及时控制扑翼飞行机器人进行高度下降和完成降落，极大提高了扑翼飞行机器人自主降落的精度，从而解决了实际应用中仅依靠GPS引导扑翼飞行机器人自主降落精度低的问题。

3)通过绕圆飞行螺旋下降高度再朝降落平台直线飞行直到完成降落的方式，充分利用了扑翼飞行机器人机动性较强、可以以较低平飞速度保持飞行稳定性等运动特点，使扑翼飞行机器人在保持低速飞行的同时逐渐降低高度，接近降落平台并以较低的下降速度实现平稳的着陆，避免扑翼飞行机器人从高空以较远距离直接朝降落平台降落时，可能因受风力等因素的影响，导致扑翼飞行机器人偏离预定降落区域或者下降速度过大，无法及时调整飞行姿态或速度，而带来扑翼飞行机器人偏离降落区域或失速坠毁的风险，从而解决了实际应用中扑翼飞行机器人从高空以较远距离直接朝降落平台降落时对降落场地面积要求较大的问题，还保证了扑翼飞行机器人自主降落的可控性和安全性。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法，其特征在于，包括：

步骤1，将由多种大小不同的ArUcoMarker嵌套组合的降落标志固定在降落平台上；

步骤2，通过GPS导航引导扑翼飞行机器人在降落平台上空一定高度进行盘旋绕圆飞行；

步骤3，通过机载视觉模块实时拍摄降落平台上的降落标志，并根据拍摄到的降落标志解算出扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿；包括：

A1，扑翼飞行机器人的机载视觉模块实时拍摄降落平台上的降落标志，将拍摄到的视频图像信息发送至地面信息处理模块；

A2，地面信息处理模块根据降落标志的组成信息调用ArUco库中的检测函数，检测出现在视频图像信息中的各个ArUcoMarker的Marker ID是否都为组成降落标志的ArUcoMarker的Marker ID；其中，所述降落标志的组成信息为组成降落标志的ArUcoMarker的大小比例、位置、编码位和Marker ID；

A3，若是，则调用ArUco库中的位姿估算函数分别对所检测到的各个ArUcoMarker进行位姿估算，得到所检测到的各个ArUcoMarker相对于扑翼飞行机器人的相对位姿，将得到的各个ArUcoMarker相对于扑翼飞行机器人的相对位姿经过坐标转换和取均值处理得到扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿；

A4，若否，则返回继续执行步骤A1的操作；

坐标转换的公式为：

其中，R为所检测到单个ArUcoMarker与扑翼飞行机器人的旋转矩阵，R'为所检测到的单个ArUcoMarker与降落标志中心点坐标系的旋转矩阵，R”为扑翼飞行机器人与降落标志中心点坐标系的旋转矩阵，T为所检测到单个ArUcoMarker与扑翼飞行机器人的平移向量，T'为所检测到的单个ArUcoMarker与降落标志中心点的平移向量，T”为扑翼飞行机器人与降落标志中心点的平移向量；

取均值处理的公式为：

其中，R_r为所检测到的所有ArUcoMarker经过坐标转换，取均值求得的扑翼飞行机器人与降落标志中心点坐标系的旋转矩阵；T_r为所检测到的所有ArUcoMarker经过坐标转换，取均值求得的扑翼飞行机器人与降落标志中心点的平移向量；n为所检测到的所有ArUcoMarker的个数；

步骤4，利用扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，生成低于当前飞行高度的飞行航点坐标引导扑翼飞行机器人围绕降落标志绕圆飞行下降高度；包括：

B1，地面信息处理模块根据扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿和扑翼飞行机器人的GPS信息，生成一个位于降落标志上空的低于当前高度的飞行航点坐标并发送给机载飞控板；

其中，地面信息处理模块根据扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿和扑翼飞行机器人回传到地面信息处理模块的GPS信息，通过扑翼飞行机器人机体坐标系与GPS坐标系的对应关系，得到降落标志相对于扑翼飞行机器人在维度上相差e_m距离，在经度上相差n_m距离；假设扑翼飞行机器人飞行的附近区域内单位经纬度所代表的距离为(D_X,D_Y)，扑翼飞行机器人回传到地面信息处理模块的当前GPS的坐标为(lat_f,lon_f)，则降落标志的GPS坐标(lat_t,lon_t)为：

根据降落标志的GPS坐标(lat_t,lon_t)以及扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿中扑翼飞行机器人当前的飞行高度H，再由地面信息处理模块生成一个低于当前一定高度h的飞行航点坐标(lat_t,lon_t,H-h)并发送给机载飞控板；

B2，机载飞控板根据地面信息处理模块发送来的飞行航点坐标控制扑翼飞行机器人围绕降落标志绕圆飞行实现高度下降；

步骤5，判断扑翼飞行机器人是否下降至一定的高度，若否，则重复执行步骤3和步骤4的操作；

步骤6，若是，则拍摄降落平台上的降落标志，确定扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，生成降落标志的飞行航点坐标引导扑翼飞行机器人朝降落平台直线飞行，直至降落在降落平台上。

2.根据权利要求1所述的基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法，其特征在于，所述降落标志包括：6个ArUcoMarker；

所述降落标志由3种大小比例为20:5:2的ArUcoMarker组成，其中1个比例为2的ArUcoMarker位于1个比例为20的ArUcoMarker中间，4个比例为5的ArUcoMarker位于比例为20的ArUcoMarker的四个角落，且6个ArUcoMarker的编码位均为4×4。

3.根据权利要求1所述的基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法，其特征在于，所述通过GPS导航引导扑翼飞行机器人在降落平台上空一定高度进行盘旋绕圆飞行包括：

通过GPS导航引导扑翼飞行机器人进入降落平台上空，并在降落平台上空25～30m的高度进行盘旋绕圆飞行。

4.根据权利要求1所述的基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法，其特征在于，所述判断扑翼飞行机器人是否下降至一定的高度，若否，则重复执行步骤3和步骤4的操作包括：

判断扑翼飞行机器人是否下降至距离降落平台上空约8～10m的高度，若否，则在绕圆飞行过程重复执行步骤3和步骤4的操作，直到扑翼飞行机器人下降至距离降落平台上空约8～10m的高度。

5.根据权利要求1所述的基于视觉引导的扑翼飞行机器人自主降落方法，其特征在于，利用步骤3解算得到的扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿，生成降落标志的飞行航点坐标引导扑翼飞行机器人朝降落平台直线飞行，直至降落在降落平台上包括：

地面信息处理模块根据扑翼飞行机器人与降落标志的相对位姿和扑翼飞行机器人的GPS信息，生成降落标识的飞行航点坐标并发送给机载飞控板；

机载飞控板控制扑翼飞行机器人以合适的下降率朝着降落标识的飞行航点坐标直线飞行不断下降高度直到降落到降落平台上，完成全部降落过程。